(57)【要約】【課題】流体噴射ノズルの噴射口からスロート部において駆動流体と被駆動流体の間での剪断力により発生するキャビテーションを抑制すること、駆動流体がより多くの被駆動流体を取込み連行すること、自律的に駆動流体が被駆動流体を旋回しながら巻き込んでより安定な高速流体とすること、により運動エネルギー伝達効率を従来よりも向上した新規な流体噴射ノズル提供するという課題を解決しようとするものである。【解決手段】図２２は本発明の流体駆動ノズルをベンチュリー管のベルマウス部４８を臨んで配置した構造図である。当該ノズルから高圧流体を噴射するとき、流体は粘性摩擦力とスロート部５０で発生する負圧の作用により、導水路溝２２を経路として被駆動流体１１０を吸引連行する。全ての噴流はハブ噴射流１００に巻き付くように旋回しながら一体化し同化した流れとなり、流体ジェットポンプ作用などの流体駆動を効率よく行うことが可能である。【選択図】        図２２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体駆動用のノズルにおいて噴射口がハブ部分から放射状に複数条のスポークを持ち外周部に向かい開口部面積を大きくした流体噴射ノズル。
【請求項２】
当該ノズルの噴射口が前方に対し回転方向に傾きを持つ請求項１に記載の流体噴射ノズル。
【請求項３】
当該ノズルの噴射口がハブ中心に対しスポークが右回転又は左回転の捻りを持つ請求項１に記載の流体噴射ノズル。
【請求項４】
当該ノズルが概円錐形状を成しその先端部をハブ部分として噴射口を形成した、請求項１から請求項３に記載の流体噴射ノズル。
【請求項５】
当該ノズルの噴射口のハブ中心を貫通して噴射口の流入側と噴射側へ突出した軸の先端部が各々テーパをもって細くなる形状の整流軸を付加した、請求項１から請求項４に記載のいずれかの流体噴射ノズル。
【請求項６】
当該ノズルの噴射口の開口部とノズル構造体との噴射口のエッジ角をより鋭角とすることと連行水を吸引するためＵ字形やＶ字形など凹形のカット溝を経路形成の為に設けた請求項１から請求項５に記載のいずれかの流体噴射ノズル。
【請求項７】
ベルマウス部に旋回流発生用の整流羽根を設けたベンチュリー管と、ベンチュリー管のベルマウス部に臨んで装着した請求項１から請求項６に記載のいづれかの流体噴射ノズルと、を主な構成要素とした流体ジェットポンプ。
【請求項８】
流体駆動用のノズルにおいて、集水コーンと噴射筒を有する導水ロートと、その集水コーン側から開口部を臨んで装着された請求項１から請求項６に記載のいずれかの流体噴射ノズルと、を主な構成要素とした流量ブースト機能を持つ流体噴射ノズル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体駆動用の流体噴射ノズルに関する。より詳しくは、噴射口中心軸から放射状に複数条から成るスポークを持つ噴射口とする手段と、当該ノズルのスポークに噴射口中心軸に対し右回転又は左回転の捻りを与える手段と、流体噴射ノズルの先端部を円錐台状とする手段と、噴射口のハブ部分に整流軸を設ける手段と、該流体噴射ノズルに加えて吸水口付ベンチュリー管と噴射ノズルを吐出側に設ける手段と、さらにそれらを複数段に構成する手段、を特徴とする流体噴射ノズルに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
「ジェットポンプ」に関して、特開２００４−２２５５７７号（以下、特許文献１という）には、しかしながら、これらの従来技術の全口径型ジェットポンプは可動部がなく、ハンドリングが容易で、しかも、吐出管直径の約８０％の大きさの固形物をも移送できる利点がある一方で、効率が２％程度と非常に低く、所定の移送性能を得るには大出力・大流量の駆動水ポンプが必要となるという問題がある。
そのため、効率の向上が重要な課題となっており、例えば、２％を２．４％と２０％アップとなった場合には、駆動源も略２０％低減となるが、駆動源が元々大きいため、大きな省エネルギーとなり、駆動用装置自体も著しく小型化される。（特許文献１の「発明が解決しようとする課題」の第０００７段落、第０００８段落）の記載がある。
【０００３】
「流体噴射ノズル」に関して、特開２００３−１４４８８２（以下、特許文献２という）に、上記のように、吸込孔の断面積、噴射孔の断面積、オリフィスの断面積、噴射管の長さを設定することにより、供給水量（供給管からの吐出量）に対して噴射量を２〜４倍、好ましくは３〜４倍とすることができる。なお、前記図１４および図１５に示す従来のノズルは供給水量に対して噴射量は、１．５倍程度しかならず、従来品の２倍以上の増量することができる。（特許文献２の「課題を解決する手段」の第００１４段落）の記載がある。
「ジェットポンプ」に関して、特開平７−１１９７００（以下、特許文献３という）に、そして、ジェットポンプ１のＭ比を大きくする方法の１つとしては、ノズル２ａ／スロート４の面積比（以下Ｒ比という）を小さくすることが知られている。
図２２は現行のジェットポンプ１のＭ比−効率曲線１４と、Ｒ比を高Ｍ比側に小さくしたジェットポンプ１のＭ比−効率曲線１５とをそれぞれ示したものであるが、Ｒ比を小さくすると、駆動水流の速度が従来のジェットポンプ１よりも速くなり、摩擦損失や被駆動流体へのエネルギ伝達損失等が増加し、効率が大幅に低下する。この効率が低下した場合には、その分だけ再循環ポンプ１３の容量を増加させる必要があり、その結果、運転費を含めた経済性が低下することになる。これを防ぐためには、ジェットポンプ１の効率を向上させる必要がある。（特許文献３の「従来の技術」の第００１０段落と第００１１段落）の記載がある。
【０００４】
また、〈第４の発明〉各ノズル部の先端部に鋸歯状の切欠きを形成しているので、駆動流体と被駆動流体との接触に対する助走区間を形成し、急激な駆動流体による被駆動流体の加速によるキャビテーションの発生を防止することができる。（特許文献３の「作用」の第００４１段落）の記載がある。
「ジェット推進型の滑走艇」に関して、特開２００３−２２８９（以下、特許文献４という）に、ところで、このジェット推進型の滑走艇の場合には、艇の推進力（スラスト力）は、専らウォータージェットポンプ後端の噴射ノズルから後方へ噴射される水の量とその噴射速度によって決定される。従って、仮にスラスト力のより大きなジェット推進型の滑走艇を所望する場合には、エンジンの馬力をアップするとともに、ウォータージェットポンプの通水断面積を大きくするか、若しくは同じ通水断面積の場合にはインペラの回転速度を上げて通水速度、特に噴射ノズルから後方に噴射される水の速度を大きくする必要がある。
インペラの回転速度を上げることによってスラスト力を大きくする場合には、インペラ部分で発生するキャビテーションに起因して、ある一定以上の回転数に増加することはできない。
【０００５】
従って、一般に、スラスト力のより大きなジェット推進型の滑走艇を所望する場合には、ウォータージェットポンプの通水断面積を大きくすることによって行われることが多い。
しかしながら、例えば、現在のウォータージェットポンプに比べて、スラスト力を２０％程度だけ大きなウォータージェットポンプを得ようとする場合にも、新規なウォータージェットポンプを設計し製造しなければならず、設計の手間は勿論のこと、ウォータージェットポンプの鋳型等を新たに準備しなければならず、多大な手間と費用負担を強いられることになる。
本発明は、このような状況に鑑みておこなわれたもので、ウォータージェットポンプ自体の通水断面積を大きくすることなく、該ウォータージェットポンプで発生する通水路の負圧を利用することによって簡単にスラスト力を大きくしたジェット推進型の滑走艇を提供することを目的とする。
（特許文献４の「従来の技術および発明が解決しようとする課題」の第０００４段落から第０００８段落）の記載がある。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−２２５５７７号公報
【特許文献２】特開２００３−１４４８８２号公報
【特許文献３】特開平０７−１１９７００号公報
【特許文献４】特開２００３−２２８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１ではジェットポンプの効率の低さが問題とされており、「例えば、２％を２．４％と２０％アップとなった場合には、駆動源も略２０％低減となるが」とあり、特許文献２では、駆動流体の噴射でより多くの流量を得るための改善工夫に関して「供給水量（供給管からの吐出量）に対して噴射量を２〜４倍、好ましくは３〜４倍とすることができる。」との記述がある。
いずれの特許文献においても、駆動流体の噴射口はシンプルな円形の貫通孔であり、特許文献１のジェットポンプでは大型固形物の流下性を確保するためベンチュリー管を持たない直管構造であることを考慮しても、９８％から効率改善を見ても９７．６％の運動エネルギーは利用されずに失われていることになり損失がとても大きい、また特許文献２においても駆動圧が示されていないので一概に言えないが、従来品から流量が２倍から４倍くらいになったという程度の改善効果であり、ここでいう供給水量の持つ運動エネルギーの大半は渦となり最後は熱となって失われている、しかしここでも乱流の制御に着目した改善はなされていない。
また、特許文献３において「各ノズル部の先端部に鋸歯状の切欠きを形成している」と、「駆動流体と被駆動流体との接触に対する助走区間を形成し・・・・・キャビテーションの発生を防止」とから、噴射流体と被駆動流体に働く損失の低減を図る発明の示された数少ない文献であるが、流体噴射ノズルが噴射する駆動流体と被駆動流体の運動エネルギー授受のメカニズムについての十分な検討はなされていない。
【０００８】
また、特許文献４において「艇の推進力（スラスト力）は、専らウォータージェットポンプ後端の噴射ノズルから後方へ噴射される水の量とその噴射速度によって決定される。」
との記述と、その解決に「該ウォータージェットポンプで発生する通水路の負圧を利用することによって簡単にスラスト力を大きくした」との記述があるが、通水路の負圧により外部から水を吸引し流量を増大させて推進力を向上させるものであるが、ここでいう噴射ノズルは円筒形状の従来通りのものであり、ここでも噴射口については検討の対象とされていない。
本発明は、流体噴射ノズルの噴射口からスロート部において駆動流体と被駆動流体の間での剪断力により発生するキャビテーションを制御し抑制すること、駆動流体がより多くの被駆動流体を取込み連行すること、自律的に駆動流体が被駆動流体を旋回しながら巻き込んでより安定な高速流体とすること、により駆動流体から被駆動流体への運動エネルギー交換効率を従来より向上した新規な流体噴射ノズル提供するという課題を解決しようとするものである。
【０００９】
様々な分野で、流体噴射ノズル（ジェットノズル）が流体ジェットポンプ作用の駆動装置、または船舶等のウォータージェット駆動推進装置に用いられているが、特許文献１から特許文献４を含む多様な用途において本発明の流体噴射ノズルを用いることにより、能力が同じであれば駆動動力を削減することができ、また駆動動力をそのままとすれば被駆動流量の増加により性能の向上を図ることが出来るので省エネルギーに貢献する。さらに、本ノズルは被駆動流体の駆動効率が高いので、従来は用いられなかったような用途に当該流体噴射ノズルを用いた流体ジェットポンプを活用する道が開かれる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本願発明者は、鋭意研究の結果、当該ノズルの噴射口の中心軸に対して放射状に複数条から成るスポーク持ち、またスポークには右回転又は左回転の捻りを付与し、さらに流体噴射ノズルの先端の断面形を円錐台状とし、流体噴射口の中心軸部分に整流軸を付加し、て構成された流体噴射ノズルを発案し、被駆動流体に対しスムーズな運動エネルギー交換を可能とした新たな駆動機構の流体駆動ジェットポンプならびにウォータージェット駆動推進装置などの流体駆動装置に供する新規な流体噴射ノズルを完成し、上記課題を解決した。
すなわち、
本発明は、装着部と、噴射口部と、を主とする流体噴射ノズルにおいて、制御された流体噴射の作用機構によって、駆動流体と被駆動流体間の作用効率に優れた、新規な流体噴射ノズルを提供することを実現したものである。
本発明は、前記課題を解決するために次のように構成される。
本発明にいう円錐台状とは、側方から見て扁平な概略二等辺三角形を成し、円錐または多面体などにより形成される形状をいう。
本発明にいう装着部とは、ネジやその他の機構により結合や嵌合固定を行う部分をいう。
【００１１】
本発明にいうハブ部とは、噴射口の中心部に位置した開口部をいう。
本発明にいう複数条から成るスポークとは、噴射口が車輪のスポークのように、中央から周囲へ複数本が放射状に広がる形をいう。
本発明にいうスキュー付き噴射口とは、スポークの右回転又は左回転の捻りをもち、噴射口の開口部が外周部の先端へゆくほど、傾き角が大きくなる渦状の回転を持つものであり、折れ線または曲線において形成された噴射口をいう。
本発明にいう整流軸とは、噴射口の中心軸を流入側から噴射側へ貫通して取りつけられた軸棒であり各々先端部はテーパ形状とし噴射側に長く、中心開口部の閉塞と噴射側の流れを整流する機能を併せ持つものをいう。
本発明にいう駆動流体とは、高圧多段ポンプや容積ポンプから吐出される高圧の流体であり運動エネルギーを伝達する流体のことをいう。
本発明にいう被駆動流体とは、運動エネルギーを受け輸送される側の流体で基本的には同質の液体であるものをいう。
【００１２】
本発明にいうベルマウス部とは、駆動流体が被駆動流体を吸引連行するためのジェット噴流の受口である。
本発明にいう整流羽根とは、ベルマウス部に設けて被駆動流体に旋回力を持たせる為に設けたものである。
本発明にいうスロート部とは、被駆動流体の吸引連行と、駆動流体と被駆動流体との運動エネルギー授受を行う管状の部分をいう。
本発明にいうベンチュリー管とは、ベルマウス部と、スロート部と、ディフューザ部と、からなる構成を基本構造とし、必要に応じて流体噴射ノズル取付部と、被駆動流体を取り込むベルマウス側に設けられた整流羽根および吸水口と、ディフューザ部側に管路接続部と、をもつ構造のものをいう。
【００１３】
本発明にいうディフューザ部とは高圧・高速流体から低圧・低速流体へ減圧膨張を行うラッパ状に広がる部分をいう。
本発明にいう乱流渦１とは、低速の被駆動流体と高速流の被駆動流体の間に出来る剪断面で発生する渦部分をいう。
本発明にいう乱流渦２とは、被駆動流体と被駆動流体の間に激しい混合が行われ、発生する渦部分をいう。
本発明にいう導水ロートとは、ジェット推進機構を持つ船舶や滑走艇が走行中の滑走運動により被駆動流体として周辺の水を取り込む集水コーンと、動力機構により駆動されたジェット噴流により被駆動流体を吸引加速してより大流量のジェット噴流として噴射する噴射筒からなるものをいう。
本発明にいうウォータージェットブースターとは、ウォータージェット推進装置に於いて噴射流量を増やし、推力を増加させることを目的とした装置である。
【００１４】
本願の請求項１記載の発明（以下、第１の発明という）は、流体駆動用の流体噴射ノズルにおいて、噴射口が中心であるハブ部分から外側へ向かい、放射状に複数条のスポークが広がるように開口部を形成した構造をもち外周部ほど噴射流量が多くなる放射スポークをもつ流体噴射ノズルであり、通常の円形の噴射口をもつ流体噴射ノズルに較べ、噴射口部の周長が長く駆動流体と被駆動流体の剪断摩擦面の距離を格段に長大にして、剪断摩擦力と高速流体の発生負圧の作用によって被駆動流体を吸引連行することを特徴とする。
本願の請求項２記載の発明（以下、第２の発明という）は、流体駆動用の流体噴射ノズルにおいて、放射状に複数条のスポークが広がるように噴射口を形成した構造をもつ第１の発明の流体噴射ノズルにおいて、当該ノズルの噴射口のハブ部分を中心に回転方向に傾きを持つ開口部を形成することで、被駆動流体を取込ながら強制的に旋回運動を行うので、その効果によりスムーズなエネルギー交換と安定な流れ形成することを特徴とする。
本願の請求項３記載の発明（以下、第３の発明という）は、流体駆動用の流体噴射ノズルにおいて、放射状に複数条のスポークが広がるように噴射口を形成した構造をもつ第１の発明の流体噴射ノズルにおいて、当該ノズルの噴射口のハブ部分からスポークが放射状に右回転又は左回転の捻りを持つ開口部を形成する旋回スポークとすることで、被駆動流体を取込んだ駆動流体が自律的または強制的に旋回運動を行うので、その効果によりスムーズなエネルギー交換と安定な流れ形成することを特徴とする。
【００１５】
本願の請求項４記載の発明（以下、第４の発明という）は、流体噴射ノズルの噴射口部が扁平な円錐形状または多面体の概円錐台状とし、その先端部に第１の発明の開口部から第３の発明の開口部の何れかを形成することで、被駆動流体の連行がスムーズで、また噴射口の剪断面が同一平面内とならず駆動流体の噴射に伴うキャビテーションの発生が抑制されることを特徴とする。
本願の請求項５記載の発明（以下、第５の発明という）は、第１の発明から第４の発明の流体噴射ノズルのいずれかにおいて、当該ノズルのハブ部分の開口部を封止するように噴射口の流入側に短く噴射側へ長く突出し各々の先端部はテーパ状に細くなる形状とした整流軸を付加することで、流体噴射ノズルから噴射される駆動流体の全てがスポーク部分から噴射され被駆動流体の連行に寄与することと、流体ジェットポンプ装着時にスロート内部の流れを安定化することを特徴とする。
【００１６】
本願の請求項６記載の発明（以下、第６の発明という）は、第１の発明から第５の発明の流体噴射ノズルのいずれかにおいて、当該ノズルに連行水を吸引するための経路形成のためにＵ字形やＶ字形など凹形のカット溝を設けることにより、噴射口と噴射されるジェット噴流の成すエッジの角度をより鋭角とし、被駆動流体の吸引と連行の作用をより円滑に行えることを特徴とする。
本願の請求項７記載の発明（以下、第７の発明という）は、第１の発明から第６の発明の何れかの流体噴射ノズルと、ベルマウス部に旋回流を与える整流羽根を設けたベンチュリー管と、の組み合わせによって駆動流体と非駆動流体の運動エネルギー交換が効果的に行われる、流体ジェットポンプを構成することを特徴とする。
【００１７】
本願の請求項８記載の発明（以下、第８の発明という）は、ウォータージェット噴流により駆動される船舶や滑走艇を駆動し推進力を発生する流体駆動用のノズルが、自走中に自律的に被駆動水を取り込む集水コーンと、噴射された駆動水と取り込まれた被駆動水を吸引加速するための噴射筒を一体構造とした導水ロートと、その集水コーン側から従来型の噴射口に替えて開口部を臨んで装着された第１の発明から第６の発明のいずれかの流体噴射ノズルと、を構成要素として流量ブースト機能を持つことを特徴とする。
本発明において、第８の発明にいう噴射筒の噴射口部はキャビテーションを防止してスラスト力向上を図るために、噴射口の円周方向に大きく波形として噴射流が作る流れの剪断面を同一平面内としない構造とすることで、噴射口付近の同一平面内での急激な水塊の加速を押さえ一部分より暫時加速することによりキャビテーションの発生を伴う乱流を低減することを特徴とする。
本発明において、第７の発明ベンチュリー管のスロート部とディフューザ部、および第８の発明にいう噴射筒、の内筒面には螺旋状のリブまたはライフル線条を刻み整流効果を付与することにより、スムーズな流れを形成し運動エネルギー交換を助けることを特徴とする。
【００１８】
本発明の、第１の発明から第８の発明において流体噴射ノズルの高速流体に曝される噴射ノズル部分は一般的には、高靱性セラミックや耐蝕性超硬合金、超硬合金、耐蝕性金属、宝石等を用いて製作されるが、用途に応じては一般的なエンジニアリングプラスチックで成型する場合もある。
本発明の、第１の発明から第８の発明において、ベンチュリー管のベルマウス部やスロート部、ベルマウス部の接液部はセラミックや耐蝕性超硬合金、超硬合金、耐蝕性金属等を用いて製作されるが、用途に応じては一般的なエンジニアリングプラスチックで成型する場合もある。
本発明の、第１の発明から第８の発明において、ベンチュリー管のベルマウス部やスロート部、ベルマウス部を含む流体ジェットポンプの筐体は耐蝕性金属やセラミックおよび高密度ポリエチレンなどの高強度樹脂などを含むエンジニアリングプラスチックを用いて製作される。
【発明の効果】
【００１９】
以上説明したように本発明により、
本発明による流体噴射ノズルを流体ジェットポンプに用いると、当該ノズルから噴射される噴流はスロート部断面に対し放射状に広がった形状で噴射され、その噴流の間隙に吸引連行された被加速流体をごく短距離の走行で本流に取り込む事が可能である。
その効果として、また噴射口側の噴流の間隙には強力な負圧が発生し後続の被加速流体を吸引連行しエネルギー交換が連続的にスムーズに行われるので、従来型の流体ジェットポンプより、スロート部、ディフューザ部ともに短縮可能で、結果的に流体ジェットポンプの全長を短尺とすることが可能となる。
また、流体噴射ノズルに中心軸上のハブに対して回転方向に傾斜した噴射口を付与すると、ハブからのストレート噴射とそれに巻き付くようにスロート内において被駆動流体を取込んだ駆動流体が強制的に旋回運動を行うので、乱流渦が抑制されスムーズなエネルギー交換を助けエネルギー利用効率の高い流体ジェットポンプの実現に寄与する。
さらに、流体噴射ノズルは噴射口のハブ部分からスポークが放射状に右回転又は左回転する旋回捻り持つ開口部を形成することと、中心軸上のハブからストレート噴射または整流軸を持つことにより、スロート内において被駆動流体を取込んだ駆動流体がストレート噴射軸または整流軸に巻き付くように自律的に旋回運動を行うので、その効果によってさらにスムーズなエネルギー交換を助け、エネルギー利用効率の高い流体ジェットポンプの実現に寄与する。
また、本発明をウォータージェット噴射による推進力により走行する船舶や滑走艇に用いるとき、従来の噴射口に替えて本発明による導水ロートと流体噴射ノズルを組み合わせた噴射ノズルに交換するのみで、大幅な改造や改良を行うことなく噴射水量を増加さる事が可能となり、結果その噴射流の反力によるスラスト力が大幅に向上させられる。
このように、流体ジェットポンプやウォータージェット推進装置の性能向上に適用すると、推力増大やポンプ性能の向上、さらには省エネルギーに寄与することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の実施の形態を本発明装置に基づいて説明する。本発明の実施例の流体噴射ノズルをベンチュリー管のベルマウス部に臨んで配置した概念図を図１７と図１８に、実際のインラインポンプの形態を図１９に示す。使用する流体噴射ノズルの詳細を図１から図１６に、また図２０にベンチュリー管のベルマウス部に設ける整流羽根の動作イメージを示し、図２１に従来からのストレート噴射ノズルにおけるエネルギー損失発生関する参考図を示す。さらに、図２２と図２３にウォータージェット推進装置用の流量ブースト機能を持つ流体噴射ノズルの例を示す。また図２４には従来型のウォータージェット推進装置を参考図として示す。
【実施例１】
【００２１】
流体噴射ノズルは図１２または図１５のように扁平な円錐台形状の先端部を中心に、スキュー付きスポーク状の開口部を持ち、中心部が噴射口ハブ６となるか整流軸２０となるかの違いがあるが、旋回流を安定させると云う目的では同じ効果が得られる。何れの流体噴射ノズルに於いても、 放射状のスキュー付きスポーク噴射口部分から噴射される駆動流体である高圧水が発生する負圧と粘性摩擦により、導水路溝２２に沿って吸引水流１１０が流入連行される。さらに、導水路溝２２がＶ字またはＵ字にカットされ噴射口エッジ２６が鋭角となっていることも、スムーズに吸引水流１１０が流入連行されることを助ける。
この特徴的な構造により乱流渦が発生しにくく、駆動流体から被駆動流体にスムーズな運動エネルギーの授受が行われ、効率よく流体加速、またはポンプ作用を行うことが出来る。ハブ部分を噴射口６とするか整流軸２０とするかの違いは、前者が構造的に単純で製作しやすいが、後者の場合は低圧大流量用の流体噴射ノズルを製作するとき全ての噴射水を被駆動水の加速に用いることが可能となることや、ノズル構造の大型化が容易となる特徴を持つ。
【実施例２】
【００２２】
図１７と図１８に示す流体ジェットポンプについて、構造と動作の関係について説明を行う。図１７、図１８は本発明の流体駆動ノズルをベンチュリー管のベルマウス部を臨んで配置した構造図である。駆動流体が駆動流体供給口１２２から流入し、スキュー付き噴射口９から、噴射流・吸引走行区間２１０で駆動水がベルマウス部に向けてノズルの形状のままに噴射口から押出され剪断摩擦により被駆動流体を吸引連行する、吸引旋回・混合区間２２０でスロート部において被駆動流体をジェット噴射流１００の間に保持し旋回しながら同化して、連続的に被駆動水を吸引する、つぎに減圧膨張区間２３０はディフューザー部でありスロート部２２０を流過して減圧膨張し流体ジェットポンプから吐出１１８される。
この様な一連の動作が連続的に行われるが、従来と機能や動作が異なるのは流体噴射ノズルのみであり、ベンチュリー管の基本構造は整流羽根１９が付加される以外は従来より用いられて来た物と大きくは変わらない。
ベルマウス部に臨んで、当該ノズルから高圧流体を噴射するとき、駆動流体は図１１または図１２のように開口部のノズル形状のまま押出されるように噴射される。すると流体は粘性摩擦とスロート部で発生する負圧の作用によりベルマウス部と当該ノズルとの間隙と導水路溝２２を経路として被駆動流体を吸引連行する。ここで、噴射口は渦状に湾曲したスキュー付き噴射口９が形成され旋回捻りが与えてあり、全ての噴流は整流軸２０に巻き付くように被駆動流体を放射状のスポークの間に挟み込みながら吸引連行し緩やかに旋回しスロート部において一体化し同化した流れとなり、吸引加速に要する走行距離が短くてすむ。またこの作用機構も激しい渦などが生じることを抑制するので、駆動流体の持つ運動エネルギーが効率よく被駆動流体に伝達されて、流体ジェットポンプ作用などの流体駆動を効率よく行うことが可能である。
【００２３】
このように、本発明の流体噴射ノズルを用いて流体ジェットポンプを構成する時、噴射口の接液部総延長は全てのスポークのエッジ長を加算したものであり、円孔をもつ直撃噴射ノズルに比べて剪断摩擦面が格段に長く、スポーク状の噴射流に被加速流体を抱え込んで加速を行うので短距離で加速できる。また、短尺で大口径なスロート部により大きな流量比の流体ジェットポンプを構成することが可能である。
また、流体噴射ノズルに対し高効率よりコストを重視する場合は、図１から図７に示すようなストレートなスポークとすることにより旋回流の発生機構は持たないが加工が容易となり、より安価に提供することが可能となり、目的に応じて選択可能である。
本願発明の流体噴射ノズルは、流体輸送において輸送したい流体と同質の液体を循環使用する事により、輸送流体の質を損なうことなく輸送することが出来る。また、固液混合物の輸送においても、当該流体噴射ノズルを用いた流体ジェットポンプを用いるとき、エネルギー効率が高いので所用動力を押さえ、コストの低減に寄与する。狭隘なスペースにおいて大量の液体循環が必要なとき、駆動流体の圧力や流量を最適化することによりメインテナンスフリーでコンパクトな循環ポンプ機能を組み込むことが出来る。養殖などの事業において長期間にわたり、通年ノンストップで深層水の取水など行いたい用途においても、保守の必要があるのは陸上の機械設備のみで、海中に設置した流体ジェットポンプは殆ど保守作業を必要とせず、長期間にわたり運転継続が可能である。
図２０は、ベルマウス４８側からスロート部５０を見た図で、ベルマウス部４８に整流羽根１９が設けられ、吸引水流１１０が旋回しながら流入し、流体噴射ノズルの旋回噴射口との作用によりスロート部に旋回流を発生させる。
【実施例３】
【００２４】
本発明の実施例のインライン型の流体ジェットポンプ断面図を図１９に示す。
ポンプ用途に流体噴射ノズルを用いる一例として、インライン型の流体ジェットポンプについて説明する。ジェットポンプの筐体として、フランジ付ベンチュリー管７２と、フランジ付ノズル取付パイプ７４にＪ型ノズル取付金具７０と接続ニップル６８と当該発明である流体噴射ノズル２の主要部品を組付けられた二つの筒型部品をフランジ７６によって接続し一体構造としたものである。
詳細な動作機構は実施例１の通であるが、構造的にＪ型ノズル取付金具７０によって流体噴射ノズル２が保持されるため、全体がインライン構造となるので管路の途中に組込むことが容易である。
このように吸水管６４と送水管６６の間に挟み込む形で装着する事により、ポンプの取付状態が全くの直線となるので組付けが簡便であり、敷設も容易に出来る。
以上のような構造であり可動部品を持たずに受動ポンプに分類される。そのためメンテナンスフリーで長期間使用可能であり、加圧型原子炉内部のような容易に保守できず高い信頼性が要求される冷却水循環ポンプとか、海中の数十メートルより深い水深に設置される海洋深層水取水ポンプなど保守修理に制限のある環境における用途に用いることが可能である。
【実施例４】
【００２５】
本発明の実施例による流量ブースト機能を持つ滑走艇のウォータージェット駆動推進装置を図２２、図２３に、従来型のウォータージェット駆動推進装置を参考図２４として示す。
これは滑走艇のウォータージェット駆動推進装置図２４であり、噴射口８を流体噴射ノズル図２２、図２３に取替えた構造となり、ヒンジ２９により水平方向に可動な状態で固定されている。
詳細な駆動メカニズムは実施例１の通であり、ウォータージェット噴流により駆動される船舶や滑走艇に流量ブースト機能を持つ流体噴射ノズル図２２、図２３として用いるとスラスト力を向上させることが出来る。
動作時には斜流ポンプ２８からの吐出水流１１２により流体噴射ノズル図２２、図２３を駆動し、流体噴射ノズル２から噴射されるジェット噴流１００により集水コーン３０で取込まれた被駆動流体１１０が吸引連行され噴射筒３４内で同化し、波状噴射口３６から後方に噴射されスラスト力を得る。
斜流ポンプの能力強化や、特別な機構を付加しての噴射能力の強化など、コストアップにつながる既存の構造の変更することなく、噴射ノズルを既存品から当該発明の流量ブースト機能を持つブースト流体噴射ノズルに変更するだけで、噴射流量を大幅に増加させることで容易にスラスト力が向上し、加速能力などの動力性能が改善される。滑走艇の場合は、スポーツ性をより一層楽しめるようになり、ウォータージェット駆動による船舶の場合は、加速性能、巡航速度の向上、燃費の改善、などに効果を発揮する。
【００２６】
従来より流体ジェットポンプ等において用いられてきたストレート噴射ノズルの斜視図と噴流の模式図を図２１に示す。
当該ノズルの噴流を大まかに分けると、高速走行区間２４０と、乱流渦エネルギー拡散区間２５０、と大別できる。高速走行区間２４０において、噴射口８から噴射されたジェット噴流１００は高速度で噴射されるが、まず噴射口８において駆動流体が被駆動流体中に噴射された瞬間にその速度差により大きな剪断力が働き、その負圧によりキャビテーションに由来する気泡が多量に発生し、剪断渦１０２でこの渦発生により大きくエネルギーを失いつつ走行する。つぎに乱流渦エネルギー拡散区間２５０にはいり、速度を失いつつ被駆動流体を多量に巻き込んで大きな乱流渦１０４を形成する。このように噴射方向への流速や運動エネルギーは保持されるものの、大きく剪断渦１０２や乱流渦１０４によって大きく消耗される。
よって、この剪断渦１０２や乱流渦１０４を制御抑制しなければ流体駆動時の効率を大きく改善することは出来ない。以上の問題に対する解決策が、本願発明である
【産業上の利用可能性】
【００２７】
海洋深層水の取水などに用いる揚水ポンプは、海中設置を行う時に容易に保守修理を行うことは難しい。そこで本願の流体噴射ノズルを用いた可動部を持たない流体ジェットポンプがその特徴を発揮し、メインテナンスフリーであることや、大水深地点でも長期間に渡る防水シールなどを考慮しなくても良いなど、利用上の特徴があり海洋深層水の取水などの用途にも適用できる。
また、固液混合流体の輸送時に、本発明の流体駆動ノズルの吸引加速の効率が高いことを利用して、輸送用駆動ポンプに用いることで従来用いられてきたジェットポンプよりエネルギー効率が高いので所用動力が少なく、年間を通して運転を継続する場合に累積的な運転電力料金を大幅に抑えることが出来る。
さらに、可動部のあるポンプを内蔵したくない場合や、駆動ポンプを一カ所に集積して配管を細い高圧配管で行うことにより設計やメインテナンスの自由度を向上させたい器機や、同一流体を用いて駆動ポンプ１台で分散して複数の部位において流体の循環をはかりたい場合などの用途にも本願の流体噴射ノズルを用いた流体ジェットポンプを適用できる。
ダム湖の貧酸素水対策や、養殖イカダ直下の体積ヘドロの好気性菌による消化のための高濃度酸素水の混合、輸送、拡散などに用いて、大規模な対策を講じるときにも、動力源と駆動部が分離されるので、設置自由度が増し効果的である。
【００２８】
そして、滑走艇やジェットフォイルなどのウォータージェット噴射推進機構を持つ動力艇の高性能化へ、本願の流体噴射ノズルとベンチュリー管を変形し応用した流体噴射ノズルを用いることで駆動能力を大幅に向上させ動力性能の向上を図る目的に適用できる。  
また、噴流発生装置として用いる時にも従来の駆動流量と同じであれば、本発明の流体噴射ノズルを用いることで、従来よりも多い噴流を発生出来るか、または発生流量が同じであれば少ない駆動動力と出来るので省エネルギーを図る用途にも適用できる。
さらに、原子力発電所に用いられる冷却水循環用ジェットポンプに用いる時に、従来のジェットポンプシステムより外部循環流量の低減が図れ駆動流体の高圧小流量化が可能であり、駆動用の配管破断時に外部へ流失する冷却水の量を低減することが期待でき、このような用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明のストレートスポーク噴射口を持つ流体噴射ノズルの噴射口側からみた正面図である。
【図２】本発明の（図１）のカットライン３００―３００´での切断面でストレートスポーク噴射口型の図である。
【図３】本発明のストレートスポーク噴射口で概円錐形を持つ流体噴射ノズルの噴射口側からみた正面図である。
【図４】本発明の（図４）のカットライン３１０―３１０´での切断面でストレートスポーク噴射口型の図である。
【図５】本発明の（図４）のカットライン３１０―３１０´での切断面でスキュー付きスポーク噴射口型の図である。
【図６】本発明のストレートスポーク噴射口型で概円錐形を持つ流体噴射ノズルの斜視図である。
【図７】本発明のストレートスポーク噴射口型で概円錐形の整流軸を有する流体噴射ノズルの斜視図である。
【図８】本発明のスキュー付きスポーク噴射口型で概円錐形を持つ流体噴射ノズルの噴射口側からみた正面図である。
【図９】本発明のスキュー付きスポーク噴射口型で概円錐形を持つ流体噴射ノズルの斜視図である。
【図１０】本発明のスキュー付きスポーク噴射口型で概円錐形の整流軸を有する流体噴射ノズルの斜視図である。
【図１１】本発明のスキュー付きスポーク噴射口型の流体噴射ノズルの正面図で、噴射流に伴って吸引連行される被駆動水の流入経路を示した図である。
【図１２】本発明のスキュー付きスポーク噴射口型の流体噴射ノズルの斜視図で、噴射流に伴って吸引連行される被駆動水の流入経路を示した図である。
【図１３】本発明のスキュー付きスポーク噴射口型の流体噴射ノズルを一部カットして噴射口のスポークの断面形状の一例を示した斜視図である。
【図１４】本発明のスキュー付きスポーク噴射口型で概円錐形の整流軸を有する流体噴射ノズルの正面図で、噴射流に伴って吸引連行される被駆動水の流入経路を示した図である。
【図１５】本発明のスキュー付きスポーク噴射口型で概円錐形の整流軸を有する流体噴射ノズルの斜視図で、噴射流に伴って吸引連行される被駆動水の流入経路を示した図である。
【図１６】本発明のスキュー付きスポーク噴射口型で概円錐形の整流軸を有する流体噴射ノズルを一部カットして噴射口のスポーク断面形状と整流軸の取付の一例を示した斜視図である。
【図１７】本発明のスキュー付きスポーク噴射口型で概円錐形の流体噴射ノズルと、整流羽根付きベンチュリー管とにより発生する、噴射流と連行する流れの状況を示す解説図である。
【図１８】本発明のスキュー付きスポーク噴射口型で概円錐形の整流軸を有する流体噴射ノズルと、整流羽根付きベンチュリー管とにより発生する、噴射流と連行流れの関係を示す解説図である。
【図１９】本発明の流体噴射ノズルを装着したインライン流体ジェットポンプの概略構造を示す断面図である。
【図２０】本発明のスキュー付きスポーク噴射口型の流体噴射ノズルと組み合わせるベンチュリー管の、ベルマウス部分の連行流れを示した図である。
【図２１】本発明の流体噴射ノズルに対し、円孔の噴射口を持つ従来型ノズルによるストレート噴射の際に噴射流の周囲に発生する渦を模式的に示した図である。
【図２２】本発明のスキュー付きスポーク噴射口型の流体噴射ノズルを、流量ブースト機能を持つ流体噴射ノズルとして適用したウォータージェット推進装置用ノズルの構造図である。
【図２３】本発明のスキュー付きスポーク噴射口型の概円錐形の整流軸を有する流体噴射ノズルを、流量ブースト機能を持つ流体噴射ノズルとして適用したウォータージェット推進装置用ノズルの構造図である。
【図２４】従来型の一般的な滑走艇の流体駆動部の断面見取り図である。
【符号の説明】
【００３０】
２  流体噴射ノズル
４  ノズル内曲面
６  噴射口ハブ
８  噴射口
９  スキュー付きスポーク噴射口
１０  ストレートスポーク噴射口
１２  円錐台
１６  先端部
１８  テーパ
１９  整流羽根
２０  整流軸
２２  導水路溝
２３  導水路峯
２４  開口部
２５  ウォータージェットブースター
２６  噴射口エッジ
２７  ノズルボディー
２８  斜流ポンプ
２９  ヒンジ
３０  集水コーン
３２  導水ロート
３４  噴射筒
３６  波状噴射口
３８  駆動軸
４０  スクリュー
４４  吸水口
４６  ベンチュリー管
４７  ベンチュリー管断面
４８  ベルマウス部
５０  スロート部
５２  ディフューザ部
５４  装着部
５６  接続部
５８  スパナヘッド
６４  吸水管
６６  送水管
６８  接続ニップル
７０  Ｊ型ノズル取付金具
７２  フランジ付ベンチュリー管
７４  フランジ付ノズル取付パイプ
７６  フランジ
１００  ジェット噴流
１０２  乱流渦１
１０４  乱流渦２
１０６  膨張流
１０８  旋回流
１１０  吸引水流
１１２  吐出水流
１１３  吐出噴射
１１４  放射状
１１６  流入側
１１８  吐出側
１２２  駆動流体供給口
１２４  放射状のスポークの断面
２００  駆動水加圧区間
２１０  噴射流・吸引自由走行区間
２２０  吸引連行・混合区間
２３０  減圧膨張区間
２４０  高速走行区間
２５０  乱流渦エネルギー拡散区間
３００，３００´  カットライン１
３１０，３１０´  カットライン２
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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